Optimisation de dépôts de LIPON par pulvérisation magnétron RadioFréquence pour la fabrication de micro-batteries. Modélisation de l'interaction plasma-surface

Optimisation of LIPON deposit by RadioFrequency magnetron sputtering for micro-batteries production. Plasma-surface interaction modeling

• Auteur / Autrice : Steven Arbeltier
• Direction : Frédéric Sabary, Tiberiu Minea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 05/06/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....) - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean Dijon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Sabary, Tiberiu Minea, Jean Dijon, Thierry Belmonte, Ana Lacoste, Sylvain Franger, Christophe Secouard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Belmonte, Ana Lacoste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Couches minces

Pulvérisation cathodique -- Applications industrielles

Mots clés libres

Plasma

Magnétron

Micro-batterie

Modélisation

Plasma

Magnetron

Micro-battery

Modeling

Résumé

La miniaturisation des batteries est devenue un défi technologique pour certaines industries. Ces micro-batteries, d’une dizaine de micromètres d’épaisseur, ont pour objectif d’alimenter des systèmes de taille réduite. Le LIPON est un des électrolytes envisagés pour leur fabrication. Il est déposé en couche-mince par pulvérisation magnétron radiofréquence de Li₃PO₄ sous plasma d’azote. Cette thèse étudie le comportement des particules au sein du plasma et formant le dépôt. Des mesures expérimentales d’émission optique et de densité électronique ont été mises en place, afin de fournir des données d’entrée et de validation pour différents modèles numériques. Le premier modèle décrit la cinétique réactionnelle au coeur du plasma, en 0D, afin d’identifier les espèces chimiques majoritaires et les réactions dominantes. Ceci a permis de concevoir une cinétique simplifiée pour le second modèle, 2D, traitant le déplacement des espèces chargées dans le plasma et permettant de caractériser la pulvérisation de la cible par les ions, tant au niveau des zones de pulvérisation de leur énergie et angle d’incidence. Les résultats obtenus ont été employés dans un modèle 3D simulant les trajectoires des atomes pulvérisés, afin d’étudier la répartition atomique sur le substrat et de déduire la composition de la couche mince déposée. Des caractéristiques propres à la cible lors de la pulvérisation ont été mises en évidence et confirmées par la comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux.

The scale reduction of batteries is a real technological challenge for the near future. These micro-batteries, about ten micrometers thick, are used to supply the power for small sized systems. LIPON is one of the most suitable electrolytes considered for industrial scale production. It is deposited in thin-film by radiofrequency magnetron sputtering of Li₃PO₄ in nitrogen plasma. This thesis is focused on particles behavior in plasma and during deposition. Optical emission spectroscopy and electron density measurements have been performed, to provide data used as input or validation for several numerical models. The first model describes plasma kinetics in the magnetron reactor, as 0D global model, and helps to identify the main chemical species and important reactions. This information has been useful to define a simplified kinetics for the second model, 2D, dealing with the charged species behavior in the plasma and describing target sputtering by ion bombardment. It provides the sputtered areas, ion energy and impinging angle onto the target. These obtained results have been employed in a 3D model that simulates sputtered atoms transport from the target to the substrate and predicting the thin-film features. Some characteristics of the target during sputtering have been highlighted and confirmed by the direct comparison between numerical and experimental results.